基于青少年视觉发育的多媒体教室光环境研究动态

梁树英，杨春宇，张青文

(1.重庆大学 博士后流动站，重庆 400045；2.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；3.重庆大学 建筑城规学院，重庆 400045)

引言

我国学生视力不良检出率继续上升，并出现低龄化倾向，预计2020年我国学生视力不良总数为1.524亿，至2030年约为1.804亿[1]。学生视力不良问题引起了国家各部门的高度重视，2018年8月30日，教育部、国家卫生健康委员会等8部门联合印发《综合防控儿童青少年近视实施方案》，提出到2030年我国6岁儿童近视率控制在3%、小学生近视率下降到38%以下、初中生近视率下降到60%以下、高中阶段学生近视率下降到70%以下的目标[2]。近视是我国学生最常见的眼病，其不仅会给青少年的学习和生活造成诸多不便，随着近视度数的进一步加深，还可能带来更多更严重的眼部并发症，例如高度近视性视网膜脱离、黄斑裂孔、巩膜葡萄肿等，并最终可能致盲[3]。

近视的发病原因主要有遗传和环境因素。在环境因素中，光照环境是不可忽视的重要因素。近年来，随着多媒体设备和软件的发展，教育信息化的大力推动，多媒体教室得到越来越普遍的运用。2010年，《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》第19章中专门论述了要加快教育信息化进程。2016年2月，教育部办公厅在《2016年教育信息化工作要点》(教技厅[2016]1号)中指出，其“核心目标”是基本实现全国中小学都拥有多媒体教学条件，学校普通教室全部配备多媒体教学设备的城镇和农村中小学比例分别达到80%和50%[4]。2016年6月，教育部在《教育信息化“十三五”规划》中提到，全国多媒体教室普及率达到了80%[5]。研究表明[6]城市学校的学生平均每天在校时间长达7～8 h，有的农村学校甚至超过了10 h。因此，多媒体教室已经成为学生学习和进行各种活动的主要场所，其光环境质量的好坏直接影响学生的眼部健康。

图2 年龄与近视发病率的关系曲线Fig.2 Relationship between age and myopia rate

本文通过分析青少年的视觉发育特征，整理国内外相关研究和前沿动态，梳理和总结出多媒体教室光环境与学生眼部健康之间的研究重点和难点问题。

1 青少年视觉发育特征

青少年眼球发育和视觉发育具有其自身的特点，是一个远视屈光逐渐下降的过程，也就是说眼球有一个“正视化”的趋势。刚出生的婴儿，视力很差，仅有光感，眼球直径比成人短，属于生理性远视眼(不包括少数先天性近视眼)；0～6岁的儿童，远视眼(生理性远视眼)比例仍较大， 3～6岁儿童眼轴平均长度为(21.79±0.68) mm；7～15岁的少儿，随着年龄的增长，眼球逐渐增大，眼轴也逐渐增长，远视的情况相应减轻，逐渐由远视变为正视，眼轴平均长度为(22.75±0.87) mm[7]，同时近视明显增多，是新发近视的高发期；16～25岁的青少年，主要表现不是新发近视的增加，而是近视度数的不断升高，20岁以后视力逐渐趋于稳定。总体而言，青少年近视多发生在中小学阶段(图1)，最突出的变化发生在10～14岁，20岁以后屈光变化很小(图2)。

图1 中国部分地区青少年近视患病率Fig.1 Myopia rate of adolescents in some regions of China

在人眼正视化过程中，眼球各结构随年龄发生精细改变，其中与屈光状态有关的三个主要因素是角膜曲率、晶体调节力和玻璃体腔长度[8]。新生儿眼轴长度为17.20 mm，玻璃体腔长度为12.58 mm，晶状体厚度为2.98 mm，前房深度为2.62 mm[9]；出生1个月的婴儿眼轴长度为19.82 mm，玻璃体腔长度为13.01 mm，晶状体厚度为3.90 mm，前房深度为2.84 mm，均有所增加[10]；出生后3～9个月眼球迅速增长，眼轴长度在6个月内增加了1.2 mm，玻璃体腔长度和前房深度增加，与年龄增长呈正相关，晶状体厚度变小，与年龄增长呈负相关[11]；6～18岁的青少年在未形成近视前，晶状体最初是厚的、凸的，并且玻璃体腔是短的，随着年龄的增加，近视组较非近视组晶状体变得更薄、更平，玻璃体腔更深，这些变化为前房深度年为0.012 mm，晶状体厚度年为-0.005 mm，玻璃体腔年为0.084 mm[12]。

青少年在不同年龄段各种视功能形成和发育成熟的过程中，视觉系统有相当大的可塑性，环境因素对视觉的刺激可以调整和改变视皮质的突触结构，进而影响神经元之间的信号传导[13]。因此，多媒体教室的光环境对青少年的眼部健康至关重要。

2 国内外相关研究动态

多名学者对多媒体教室的光环境进行了调查研究，结果表明多媒体教室的光环境不容乐观。李振霞等[14]对天津某高校多媒体教室的光环境进行了实测调查，讨论了多媒体教室光环境设计中大屏幕、环境亮度、桌面照度三者之间应遵循的关系，指出环境亮度是决定投影屏幕清晰度的主要原因。艾伦等[15]研究了投影机的实际光通量、教室的实际光照度、学生视力下降的趋势等问题，结果表明多媒体教室室内光照度的不足是引起师生视力下降的重要因素。张泽等[16]分别在白天和晚上对大学多媒体教室进行了测量，其室内照度均未达到规范要求。毛万红等[17]对高校多媒体教室光环境进行了测试，结果表明其视觉满意度较低。近年来，作者对重庆大学A、B校区及虎溪校区教学楼多媒体教室进行了随机抽样测量和主观问卷调查，测试过程中分别设计黑色、灰色(50%)和白色三种图片，通过投影设备投影于幕布上，在不同工况条件下(①开启全部灯具和全部窗帘，②关闭第1排灯具和靠黑板窗户窗帘，③关闭第1排、第2排灯具和教室前部窗户窗帘，④关闭全部灯具和全部窗帘)测试投影幕布、黑板、讲台和课桌面的亮度和照度，并投影PPT课件，评价其在不同工况下的清晰度，结果显示：不同工况条件下测试结果差异很大，投影幕布亮度范围为166～0.17 cd/m2，照度范围为411～0.72 lx，黑板亮度范围为8～0.03 cd/m2，照度范围为511～0.7 lx，讲台照度范围为315～1.06 lx，课桌面照度范围为352～0.41 lx；同一工况条件下，不同灰度图片的投影效果也有较大差异，白色图片时投影幕布的亮度和照度最大，灰色图片次之(约为白色图片的29%～22%)，黑色图片时的亮度和照度最低(约为白色图片的8%～0.2%)，当关闭全部灯具和全部窗帘时图片灰度导致的差异最为明显；工况①至工况④，PPT课件投影的主观清晰度评价由低到高，当开启全部灯具和全部窗帘时，黑板、讲台和课桌面的照度为511，315 lx和352 lx，满足国家相关标准和规范(500，300 lx和300 lx)，但投影仪的清晰度很低，学生长时间观看易产生视觉疲劳，当关闭第1排灯具和靠黑板窗户窗帘时，黑板、讲台和第一排课桌面的照度分别为150，126 lx和108 lx，已大大低于国家相关标准和规范，进行阅读和书写活动变得困难。在测试中，作者还发现不同多媒体教室投影幕布的亮度和照度也不尽相同，一方面是因为投影仪的型号功率和投影模式不同，另一方面是因为投影仪的光衰，采用相同型号功率和投影模式投影仪的多媒体教室，使用时间较长的投影幕布亮度和照度偏低，而采用高功率投影仪的多媒体教室，投影幕布较为刺眼，不利于视觉健康。

多媒体教室的光环境主要受天然光、人工照明和多媒体视频光源的影响。多媒体教室的视频系统主要有投影显示系统、背投影电视、大屏幕平板电视、交互式电子白板等，目前使用较为普遍的是投影仪、投影幕布和信号源设备组成的投影显示系统，其对教室光环境提出了新的更高的要求。目前，多媒体教室还基本按照普通教室的光环境进行设计，这导致了现实使用中的一系列问题。投影仪的功率是一定的，为了保证投影幕布的清晰度，提高投影幕布与环境的对比度，达到较好的投影效果，往往需要降低教室的环境亮度(拉上遮光窗帘、关闭教室部分或全部灯具等)，如此一来，必然导致投影幕布较亮，而黑板、讲台和课桌面的照度过低(特别是教室前部靠近幕布处的课桌面照度过低，无法满足正常的阅读和书写需求)。学生在投影幕布、黑板、讲台和课桌面四者之间频繁变动注视对象和注视方向，导致明暗视觉器官频繁调节(锥状细胞和杆体细胞不断适应明暗环境)，眼部肌肉过度紧张，长期在这样的光环境下学习，会引起眼胀痛、眼部充血、视物模糊、眼干涩及眼皮沉重等视疲劳，进而引发近视，这也是导致我国学生视力不良发生率居高不下的原因之一。

人眼视网膜的视锥细胞和视杆细胞对环境明暗的响应灵敏度不同，正常情况下人眼从暗环境到亮环境的适应时间较快，约为1 min，而从亮环境到暗环境的适应时间较慢，约为30 min(图3)。人眼虽有适应性的特点，但当视野内明暗急剧变化时，眼睛却不能很好的适应，从而引起视觉疲劳和视力下降。1931年，Blanchard用阈限法证明，在极端黑暗转入极亮的情况下，杆状细胞的感受性下降了100万倍。根据所含视色素对不同波长的相对吸收特性，视锥细胞又分为红锥、绿锥和蓝锥，Schuber EF[18]的研究表明视杆细胞和红锥、绿锥、蓝锥三种视锥细胞的峰值吸收波长分别为498，564，533 nm和437 nm。同济大学郝洛西课题组[19]对上海市中小学视力健康与光照环境进行了实验研究，结果显示色温、照度和环境对比度对视觉疲劳程度有直接影响。荷兰埃因霍温技术大学TU/e的研究表明人眼垂直面的照度水平与疲劳有相当大的关系，垂直面的高照度值可减缓疲劳[20]。Winterbottm等[21]的研究表明教室闪烁频率的荧光灯照明和交互式电子白板会使学生感到不适，引发头痛，降低认知能力，甚至损害视力。

图3 人眼的明暗适应过程Fig.3 The process of light and dark adaptation of human eyes

国内许多学者还对光生物效应(非视觉感光细胞)进行了研究，并应用于教室照明中。重庆大学严永红课题组[22-25]对视觉功效、识别率差异及荧光灯、LED 色温对学习效率、视/脑疲劳的综合影响等进行了研究。重庆大学黄海静等[26]研究了光生物效应下光源色温及照度水平差异对学生视觉功效、心理/生理健康和学习效率的影响。重庆大学杨春宇等[27,28]从光谱、光照强度、时间和周期等方面对大学生季节性抑郁情绪和光照治疗进行了研究。杨彪等[6]研究了中小学教室光环境综合评价指标体系。游杰等[29]探讨了多媒体教室光环境评价模型，建立了光源、桌面照明质量、黑板照明质量和投影性能等18项指标，但对于自然光、讲台、投影幕布亮度与环境亮度比值、围合材料反射增量等均未涉及。目前，针对多媒体教室光环境深入系统的研究还未见报道。

3 总结和展望

视觉发育离不开正常的光信号刺激，青少年正处于眼部快速发育和养成正确用眼习惯的重要阶段，科学合理的多媒体教室光环境对于预防近视发生和延缓近视发展具有重要意义。目前，多媒体教室光环境还缺乏深入系统的研究和科学指导。多媒体教室的视觉识别对象主要包括投影幕布、黑板、讲台和课桌面，四者的视觉物理条件存在一定的差异。其中课桌面为水平面，黑板和幕布为垂直面，讲台(兼多媒体操控台)既有水平面也有垂直面(水平照度要求教师看清讲义和便于操控多媒体设备，垂直照度要求学生能看清教师的面部表情和肢体语言)，幕布上的文字、图片是通过投影设备成像，本身具有一定的自身亮度，物理条件更为复杂。如何在同一室内空间中创造出尽量满足投影幕布、黑板、讲台和课桌面四者的光环境，有益于青少年的眼部健康，正是多媒体教室光环境研究的重点和难点，而这需要从全新的视角进行深入研究和探讨。